Кремний (Si) относится к группе неметаллов и занимает промежуточное положение между металлами и неметаллами по химическим и физическим свойствам. В чистом виде представляет собой твёрдое кристаллическое вещество серо-стального цвета с алмазоподобной кристаллической решеткой. Высокая твёрдость (около 7 по шкале Мооса) и высокая температура плавления (около 1414 °C) обусловлены сильными ковалентными связями между атомами в кристалле. Кремний плохо проводит электрический ток при комнатной температуре, но проводимость увеличивается при легировании примесями, что используется в полупроводниковой электронике.
Кремний проявляет амфотерные свойства. Он сравнительно инертен к большинству кислот и щелочей при обычной температуре, но активно реагирует при нагревании:
Si + O2 → SiO2
Si + 2Cl2 → SiCl4
SiO2 + 2NaOH → Na2SiO3 + H2O
Кремний способен к восстановительным реакциям с металлами при высоких температурах, образуя силициды (например, Ca₂Si, Mg₂Si).
SiO₂ является наиболее стабильным соединением кремния. Присутствует в природе в виде кварца, кристобалита и тридимита. Отличается высокой температурой плавления (около 1710 °C) и химической стойкостью к кислотам (кроме плавиковой HF). Используется в стекольной промышленности, производстве керамики и электроизоляционных материалов. Амфотерность проявляется при взаимодействии с концентрированными щелочами, образуя растворимые силикаты.
Силикаты — соли кремниевой кислоты (H₂SiO₃). Классифицируются на метасиликаты (например, Na₂SiO₃), ортосиликаты (например, Ca₂SiO₄), цепочечные и слоистые структуры в зависимости от способа соединения SiO₄ тетраэдров. Силикаты составляют основу большинства минералов земной коры, обладают разнообразными физическими и химическими свойствами, от твёрдости и термостойкости до реакционной способности с кислотами.
Тетрагалогениды кремния (SiX₄, X = F, Cl, Br, I) — летучие молекулы с тетраэдрической геометрией. SiCl₄ широко используется как прекурсор для получения силиконов и в органическом синтезе. Фторид SiF₄ образуется при обработке SiO₂ плавиковой кислотой:
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O
Силиканы и силиконы — органические производные кремния, где один или несколько атомов кремния соединены с углеродом через Si–C связь. Примеры: диметилсилоксан, полиорганосилоксаны. Они обладают высокой термостойкостью, гидрофобностью и химической инертностью, что делает их ценными для применения в смазках, герметиках и медицинских материалах.
Кремний не является жизненно необходимым элементом для человека, но играет важную роль в структуре костей и соединительных тканей у растений и некоторых животных. Силикаты участвуют в формировании клеточных стенок растений, обеспечивая прочность и устойчивость к патогенам.
Кремний и его соединения имеют широкое применение:
Кремний образует ковалентные сети и тетраэдрические структуры, что обуславливает высокую термическую и химическую стойкость его соединений. Разнообразие кремнийорганических соединений позволяет использовать его как основу для материалов с уникальными свойствами, объединяющими термостойкость, химическую инертность и гибкость применения.